Aplicação do Sistema de Monitoramento Unidirecional Residencial

Transcrição

1 UniCEUB Centro Universitário de Brasília FAET Faculdade de Ciências Exatas e Tecnologia Curso de Engenharia da Computação Projeto Final Aplicação do Sistema de Monitoramento Unidirecional Residencial Aluno: Cristiane Xavier Ra Orientador: Professor Claudio Penedo de Albuquerque Brasília, DF Junho 2005.

2 UniCEUB Centro Universitário de Brasília FAET Faculdade de Ciências Exatas e Tecnologia Curso de Engenharia da Computação Projeto Final Aplicação do Sistema de Monitoramento Unidirecional Residencial por Cristiane Xavier Ra Trabalho Final de Graduação Professor Claudio Penedo de Albuquerque Orientador 3

3 Agradecimentos Agradeço a Deus, em primeiro lugar, por estar presente em todas as horas na minha vida, me conduzindo sempre para melhor caminho e me iluminando nas horas difíceis. Aos meus queridos pais, Hamilton Xavier e Maria Aparecida Xavier, pela oportunidade e pela confiança creditada. A minha querida irmã, pelas palavras de apoio e pelo incentivo ao longo dos cinco anos de faculdade. Ao meu namorado Daniel Lessa que acompanhou os momentos mais difíceis da minha jornada acadêmica, vivendo momentos de alegria e tristeza, mas acima de tudo, vivendo estes momentos juntos. Aos meus queridos colegas de sala, e amigas de infância por terem me apoiado e terem estado sempre ao meu lado em todos os momentos desse projeto. Aos meus colegas de trabalho, pela ajuda nesse empreendimento. A todos os professores que compartilharam comigo esses cinco anos de curso contribuindo com seus conhecimentos para o nosso crescimento profissional e pessoal. Em particular, ao Professor Claudio Penedo de Albuquerque pelo conhecimento técnico concebido, pela paciência e principalmente por sua orientação, me direcionando sempre para o caminho correto. 4

4 Resumo Este projeto aborda a implementação de um software em computador e em telefone celular GSM, a ser empregado no monitoramento de eventos ocorridos dentro de uma propriedade, como uma residência, por exemplo. O monitoramento dá-se através de envio de mensagens de alerta ao dono da propriedade através de serviço SMS. Para desenvolver essa pesquisa, tornou-se necessário um estudo aprimorado das tecnologias GSM, Bluetooth e SMS, bem como de suas respectivas características e funcionalidades. Pesquisas de mercado foram realizadas para a possível aquisição de aparelhos móveis necessários ao projeto, também foi pesquisada a inclusão de uma nova solução para a substituição desses equipamentos de custos elevados. Atua-se neste trabalho no sentido de empregar de forma conjunta todas essas tecnologias já disponíveis, de forma a implementar um sistema de monitoramento de propriedades. Desta forma, eventos ocorridos dentro da propriedade serão notificados ao proprietário, pelo seu telefone celular. Toda a programação desenvolvida neste projeto é realizada em linguagem Java. Palavras-Chave: Bluetooth, GSM, SMS. 5

5 Sumário 1 Introdução Tecnologia Bluetooth Ondas de Rádios e Piconetes A Forma de Transmissão A Tecnologia Bluetooth em Casa A Tecnologia Bluetooth nos Dias Atuais Segurança no Bluetooth Vantagens e Desvantagens A Opinião das Empresas Tecnologia GSM Histórico do Sistema Celular Conceitos da Arquitetura Celular A Célula e o Cluster Componentes do Sistema Tecnologia AMPS Handoff Roaming Criptografia Conceitos da Tecnologia GSM Estação Móvel (MS) Estação Base (BS) Central de Comutação e Controle (MSC) Registro de Assinantes Locais (HLR) Registro de Assinantes Visitantes (VLR) Centro de Autenticação (AuC) Registro de Identidade do Equipamento (EIR) Centro de Operação e Manutenção (OMC) Capacidade do GSM Compatibilidade TDMA AMPS Comunicação TDMA Serviço SMS Benefícios de SMS

6 3.9.4 Aplicações de SMS Implementação do Projeto A Porta Paralela Endereçamento Funcionamento da Porta Paralela Padrões de Conexão Modos de Operação Software Problemas e Soluções na Leitura de Dados da Porta Paralela J2ME Conclusão Referências Bibliográficas Anexo A Leitura da Porta Paralela Anexo B Ilustração da simulação Anexo C Código Demomidlet Anexo D Código GUIImageClient Anexo E Código Br image client Anexo F Código O SMSSend

7 Lista de Figuras Figura Tipos de redes formadas por dispositivos Bluetooth Figura Cartão PC sem fio TEW-421PC 54Mbps g Figura Adaptadores USB Figura Adaptador bluetooth USB - DBT Figura Sistema móvel convencional Figura Configuração celular Figura Esquema de setorizaçao celular Figura Componentes de um sistema celular Figura 3.5 Arquitetura do sistema celular Figura Interface de uma rede GSM Figura Ilustração do Projeto Figura Pinagem DB Figura Conector padrão macho DB Figura Aparelho celular Nokia Figura B.1 - Ilustração da simulação

8 Lista de Tabelas Tabela Evolução dos sistemas rádio Tabela Faixas de freqüências para as bandas A e B Tabela Freqüências de operação do GSM Tabela Endereçamento de porta paralela

9 Lista de Símbolos ACK AMPS AuC BS BSC BSS BSKP BTS CDC CDMA CLDC CPP DAMPS DMA E/S ECP EDGE EIR EPC EPP FCC Acknowledge Advanced Mobile Phone System Authentication Center Base Station Base Station Controller Base Station System Binary Phase Shift Keying Base Transceiver Station Connected Device Configuration Code Division Multiple Access Connected Limited Device Configuration Command Pocket Protocol Digital Advanced Mobile Phone System Direct Memory Access Entrada e Saída Exetended Capabilities Port Enhanced Data rates for GSM Evolution Equipment Identity Register Extend Capability Port Enhanced Parallel Port Federal Communication Commission 10

10 FDMA FHS FIFO GPRS GSM HLR I/O IEEE IMEI IMSI IMSI Frequency Division Multiple Access Frequency Hopping Synchronization First in First Out General Packet Radio Service Global System for Mobile Communications Home Location Register Input and Output Institute Of Electrical and Electronic Engineers International Moblie Station Equipment Identity International Mobile Subscriber Identity International Moblie Station Identity IS-54 Interim Standard 54 ISM J2ME Kbps Mb/s MIDP MMS MS MSC MSC NC NO OMC Industrial, Scientific, and Medical Band Java 2 Micro Edition Kilo Bytes por Segundo Mega Bytes por segundo Mobile Information Device Profile Multimedia Messaging Service Mobile Station Mobile Switching Center Mobile-Services Switching Center Normally Close Normally Open Operational and Maintenance Center 11

11 OS PSTN RF RTPC SMS SSP TDM TDMA VLR WCDMA RSSI Operation System Public Switched Telephone Network Frequency Radio Real Time Transport Control Protocol Short Message Service Standard Parallel Port Time division multiplexing Time Division Multiple Access Visitor Location Register Wideband Code Division Multiple Access Received Signal Strength Indication 12

12 1 Introdução A sociedade brasileira tem enfrentado inúmeros problemas decorrentes das grandes contradições econômicas, sociais e culturais constantes no nosso cotidiano. Uma das conseqüências dessas contradições que se reflete na consolidação de diferenças sócio-culturais marcantes em nossa população é a violência urbana, que se manifesta de diversas maneiras. Uma delas e bem freqüente, consiste na invasão de propriedades para furtos que se apresentam de diversas formas e em dimensões diversificadas. Dessa forma, a possibilidade da criação de serviços como monitoramento de propriedades, torna viável a limitação de invasões domiciliares, uma das contribuições possíveis para uma maior tranqüilidade da população. O mercado de Automação Residencial no Brasil está dando seus primeiros passos. Neste momento, empresas estão tomando conhecimento das amplas possibilidades que os sistemas integrados de Automação Residencial podem representar em seus projetos. Para poder divulgar estas possibilidades, difundir tecnologias, treinar e aperfeiçoar o conhecimento nessa área, surgiu o interesse pelo estudo mais aprimorado sobre automação residencial e suas funcionalidades. O presente projeto propõe um serviço dessa natureza, ou seja, mostrar a possibilidade da criação de um novo serviço, agregando valor a uma tecnologia já utilizada comercialmente, porém com outro foco, e nicho de mercado. Ou seja, objetiva-se estudar uma forma de implementar um software que através de tecnologias já existentes consiga fazer esse monitoramento. O trabalho está dividido em cinco capítulos. No Capítulo 2 são descritas as características da Tecnologia Bluetooth, no Capitulo 3 é feita a estrutura e o funcionamento da Tecnologia GSM. No Capítulo 4 é detalhada a implementação do software. No Capítulo 5, é descrita a conclusão deste trabalho. 13

13 2 Tecnologia Bluetooth Em 1994, a Ericsson começou a analisar uma interface de rádio que tivesse baixo consumo e baixo custo. O objetivo era desenvolver uma tecnologia, para conectar telefones móveis e os seus acessórios, sem utilizar fios. Após 4 anos da Ericsson já ter chegado à conclusão de que o potencial para dispositivos que usam ligações de rádio de curto alcance era praticamente ilimitado, empresas como IBM, Nokia, Toshiba e a Intel se uniram e formaram o chamado SIG (Grupo Especial de Interesse em Bluetooth) para desenvolver a tecnologia sem fios. (Michael Miller, 2001). O consórcio Bluetooth cresceu incrivelmente em poucos anos e já conta com a participação de muitas empresas, dentre elas HP, 3Com, Philips, Motorola, Samsung, Siemens, Dell, Sony. Isso permitiu uma ampla divulgação da tecnologia em todo o mundo. (Michael Miller, 2001) Bluetooth é um padrão de tecnologia que tenta criar uma ponte entre indústrias de computadores e de comunicações. Essa tecnologia tem sido adotada pelas principais empresas incluindo setores de entretenimento, indústria automotiva, área de saúde, entre outros. O padrão Bluetooth pretende: Facilitar formas de comunicação de voz e dados. Eliminar fios e cabos. Ativar redes e disponibilizar sincronização automática entre dispositivos compatíveis com esta tecnologia. Em relação a sua taxa de transmissão ela pode chegar a 721 Kbps e possui três canais de voz. As desvantagens desta tecnologia é o seu raio de alcance, que é de 10 metros, e o número máximo de dispositivos que podem comunicar-se ao mesmo tempo são 8. Essa comunicação ocorre sem a intervenção do usuário, pois quando um dispositivo Bluetooth identifica outro dispositivo Bluetooth estes configuram automaticamente uma conexão entre si. (Artsen, J; Naghshineh, M; Inouye, J, 1999) 14

14 2.1 Ondas de Rádios e Piconetes A tecnologia Bluetooth utiliza um chip com rádio-transmissor pequeno e de baixa voltagem em um dispositivo eletrônico normal. Os rádios Bluetooth utilizam uma banda de rádio chamada ISM (Banda Industrial, Médica e Científica), na faixa 2.4 e 2.48 (GHz). Para se comunicarem, dispositivos Bluetooth precisam ter um rádio. Esse rádio é bastante pequeno, sua construção é basicamente um chip de computador, que tem um Link Controller (Controlador de Links) que faz a gerência das conexões individuais. Cada rádio Bluetooth tem a capacidade de se adaptar as mesmas especificações para enviar e receber sinais para que possa ser usado em qualquer lugar do mundo sem problemas. (Michael, Miller, 2001) Os dispositivos Bluetooth estabelecem uma conexão e formam uma rede denominada piconet, na qual podem existir até oito dispositivos interligados, sendo um deles o mestre (master) e os outros dispositivos escravos (slave). Nas aplicações Bluetooth, várias piconets independentes e não-sincronizadas podem se sobrepor ou existir na mesma área. Neste caso, forma-se um sistema ad hoc disperso denominado scatternet, composto de múltiplas redes, cada uma contendo um número limitado de dispositivos. (Artsen, J; Naghshineh, M; Inouye, J, 1999) Em uma rede celular típica as estações base devem estar posicionadas estrategicamente de forma a fornecer uma eficiente cobertura celular, ou seja, minimizando as regiões de sombreamento. A Figura 2.1 abaixo mostra os tipos de rede que podem ser montadas através de dispositivos Bluetooth. (Leandro, Nelson Alexander Garcia, Márcio Eduardo Silva Mello, 2000). 15

15 Figura Tipos de redes formadas por dispositivos Bluetooth. As vantagens de uma rede ad hoc são: Não existe necessidade de estabelecer infra-estrutura cara para prestar serviços de manutenção em determinadas regiões geográficas, pois as redes ad hoc são formadas onde os dispositivos estão sem a necessidade de estações base para controlar as comunicações de rede. Diferentemente das redes celulares, muitas redes ad hoc podem ocupar o mesmo espaço físico sem o problema de interferências. Qualquer unidade Bluetooth pode controlar uma piconet ad hoc atuando como um dispositivo mestre. (Antônio Rogério Messias, 1999). Para se criar uma rede Bluetooth ou para se adicionar componentes a uma piconet, os dispositivos devem ser identificados. Dispositivos podem ser dinamicamente conectados e desconectados de uma piconet a qualquer instante. 16

16 Quando um dispositivo deseja estabelecer uma conexão e não reconhece quais são os outros dispositivos que estão em sua área de alcance e suas características, este difunde mensagens do tipo INQUIRY. Ao receber uma mensagem desse tipo, um dispositivo deve retornar um pacote do tipo FHS (Frequency Hopping Synchronization) contendo além de seu identificador, informações para o sincronismo entre os dispositivos. Os dispositivos que respondem a uma mensagem de INQUIRY utilizam uma temporização aleatória para enviar a resposta. O objetivo é evitar possíveis colisões, quando mais de um dispositivo responder ao pedido. (Leandro, Nelson Alexander Garcia, Márcio Eduardo Silva Mello, 2000). Depois de coletar informações sobre os outros dispositivos, cujo identificador e informações de sincronismo são conhecidas, o dispositivo que deseja estabelecer a conexão pode utilizar uma mensagem do tipo PAGE para realmente estabelecer uma conexão. (Leandro, Nelson Alexander Garcia, Márcio Eduardo Silva Mello, 2000). Os dispositivos que estão ociosos podem permanecer num estado de STANDBY para economizar energia. Contudo, periodicamente eles devem "acordar" para verificar se existe algum outro dispositivo tentando se comunicar. Neste momento podemos dizer que a unidade está em estado de SCAN. As comunicações entre as redes são feitas da seguinte forma: Um dispositivo pode participar de diferentes piconets utilizando a técnica de TDM (Multiplexação por Divisão do Tempo). Ou seja, um dispositivo pode participar seqüencialmente de diferentes piconets, sendo que este pode somente estar ativo em uma piconet por vez. Portanto, quando um dispositivo está ativo em uma piconet ele fica inativo na outra (fica num estado de HOLD). Assim sendo, um dispositivo pode saltar de uma piconet para outra ajustando os seus parâmetros de comunicação (identificador do master e informações de sincronismo). (Leandro, Nelson Alexander Garcia, Márcio Eduardo Silva Mello, 2000) Um dispositivo pode mudar de papel quando salta de uma piconet para outra, ou seja, um dispositivo pode ser master em uma piconet e slave em outra. O problema neste caso é quando o dispositivo deixa uma piconet (salta para outra) onde ele é o master, fazendo com que o tráfego dessa piconet fique suspenso até seu retorno. Um dispositivo também pode ser slave em ambas 17

17 piconets. Porém, não pode acontecer de um dispositivo ser o master em diferentes piconets ao mesmo tempo. (Juarez do Nascimento, 1992) Dessa forma, uma piconet pode se comunicar com outra, compartilhando um dispositivo com diferentes piconets. Esse dispositivo compartilhado é denominado bridge. (Michael Miller, 2001) 2.2 A Forma de Transmissão Todos os sinais que são compatíveis com a tecnologia Bluetooth devem ser capazes de transmitir voz e dados.a tecnologia pode ser usada para conectar dispositivos de computação e dispositivos de comunicação. Em todos os componentes eletrônicos, os sinais de dados viajam de forma diferente dos sinais de voz. Os sinais de dados utilizam a tecnologia baseada em comutação de pacote. Eles podem ser transmitidos por rotas, freqüências e ordem diferentes da original. Uma vez que os pacotes de uma mensagem sejam recebidos, eles serão re-compilados na sua ordem original. O sinal de voz, geralmente, utiliza a tecnologia denominada comutação de circuito. Com ela, as mensagens não são fatiadas em pacotes, em vez disso, um canal dedicado (ou circuito) é estabelecido durante a transmissão. A taxa de transferência total de 1Mbps da tecnologia Bluetooth é o máximo teórico. As taxas de transferências efetivas variam de acordo com o tipo de comunicação. Por exemplo, a transmissão de dados full duplex simétrica, é realizada a Kbps. A transmissão de dados full duplex assimétrica ocorre a 721Kbps na ida e apenas a 56Kbps na volta. (Michael Miller, 2001). A comutação por pacotes é interessante para transmitir dados binários, porém a comutação por circuito é preferível quando as comunicações necessitam ocorrer em tempo real.os dispositivos Bluetooth podem funcionar nos dois modos simultaneamente, se necessário. (Michael Miller, 2001) 18

18 2.3 A Tecnologia Bluetooth em Casa A tecnologia Bluetooth é extremamente útil em nossas vidas, pois elimina de uma vez todos os cabos de nossos aparelhos eletro-eletrônicos. Toda interface entre aparelhos será feita por pequenas ondas de rádio e a detecção é automática. (Michael Miller, 2001) A tecnologia Bluetooth vem modificando nossos costumes e tornando mais práticos alguns de nossos hábitos. Estamos quase sempre em contato com a tecnologia e nem sempre percebemos onde ela esta sendo empregada. O emprego desta tecnologia pode ser encontrado dentro da residência de diversas formas, por exemplo, na cozinha onde todos os eletrodomésticos são conectados em uma rede piconet. A comunicação dentro do carro também é automática, onde, por exemplo, celular não precisa sair da pasta de trabalho para criar um link com os equipamentos do carro. Essa visão de um mundo da tecnologia Bluetooth foi compilada de idéias apresentadas por muitas fontes. A fonte mais visionária vem de alguns participantes do Bluetooth SIG, que são empresas que investem capital no sucesso da tecnologia sem fio Bluetooth. 2.4 A Tecnologia Bluetooth nos Dias Atuais Os primeiros produtos com a tecnologia Bluetooth no mercado eram produtos que adicionavam recursos da tecnologia a produtos existentes. As Figuras 2.2, 2.3 e 2.4 indicam exemplos de produtos com Tecnologia Bluetooth. (Juarez do Nascimento, 1992) 19

19 Figura Cartão PC sem fio TEW-421PC 54Mbps g. Figura Adaptadores USB. Figura Adaptador bluetooth USB - DBT Segurança no Bluetooth A segurança é um fator primordial para o sucesso da difusão desta tecnologia, bem como das tecnologias que empregam o meio de transmissão compartilhado, como o wireless. Algumas aplicações podem não exigir um modelo que permita segurança e privacidade na comunicação com estes dispositivos. Entretanto, espera-se que estes equipamentos permitam transações financeiras e com o tempo substituam os cartões de crédito. Para essas considerações o registro de segurança é fundamental. (Michael Miller, 2001) Existem quatro elementos essenciais quando se fala em segurança em meios de comunicação e que esta tecnologia deve zelar: 20

20 Confiabilidade dos dados Autenticação e identificação Controle de acesso Integridade dos dados Por utilizar um meio de transmissão compartilhado é impossível impedir que pessoas má intencionadas acessem os pacotes de transmissão do bluetooth no raio da piconet. A iniciativa dos saltos de freqüência nas transmissões além de reduzir a interferência do meio de transmissão, ajudam a proteger os pacotes de dados de pessoas com baixo conhecimento desta tecnologia. (Michael Miller, 2001) 2.6 Vantagens e Desvantagens O uso de tais redes é tipicamente restrito a distâncias que envolvem prédios, campus universitários e salas isoladas. Os seguintes tópicos ilustram algumas vantagens e desvantagens deste tipo de rede em relação às redes que utilizam cabeamento. (Michael Miller, 2001). Algumas vantagens são: Flexibilidade Dentro da área de cobertura os nós podem se comunicar sem qualquer restrição. As ondas de rádio penetram obstáculos, de maneira que transmissores e receptores podem ser colocados em locais que os tornem invisíveis (dentro de estantes, paredes etc.). Além disso, algumas vezes é muito difícil à instalação de redes cabeadas quando máquinas que precisam ser conectadas estão separadas por uma porta de incêndio. A condução de cabos através deste tipo de porta é apenas permitida sob certas circunstâncias, uma vez que a prevenção contra o alastramento do fogo, em caso de incêndio, deve ser eficiente. (Michael Miller, 2001) Planejamento Apenas redes sem fio do tipo ad hoc permitem comunicação sem planejamento prévio. Desde que os dispositivos sigam os 21

21 mesmos padrões, eles podem se comunicar entre si. Para uma rede cabeada, cabeamento adicional, plugs adequados e, provavelmente, elementos de interconexão de redes (como comutadores) precisam ser utilizados. (Michael Miller, 2001) Portabilidade Apenas redes sem fio permitem o desenvolvimento de pequenos dispositivos que podem, por exemplo, serem carregados dentro do bolso. Os cabos não só restringem a liberdade de locomoção do usuário, como também impedem o desenvolvimento de pequenos PDAs, notepads etc. Robustez Certos tipos de redes sem fio podem continuar em funcionando se ocorrem desastres como, por exemplo, terremotos. Se os dispositivos ficam intactos ao desastre, os usuários continuam podendo se comunicar. Redes que requerem um cabeamento provavelmente não resistiriam a tais dificuldades e deixariam de funcionar. (Michael Miller, 2001) Baixo consumo de potência Dispositivos que se comunicam via WLAN (Redes Locais sem Fio) apresentam uma bateria como fonte de energia. As redes devem levar isso em consideração e implementar módulos para economia e gerenciamento de energia. Aparelhos sem fio, conectados a uma fonte de energia via cabo não são muito úteis. A tecnologia sem fio caminha para o desenvolvimento de dispositivos cada vez menores, sem qualquer restrição imposta por qualquer tipo de cabeamento. Algumas desvantagens descritas em (Michael Miller, 2001) podem ser citadas abaixo: Custo Adaptadores Ethernet de alta velocidade são, em geral, 10 vezes mais baratos que adaptadores para redes sem fio. Soluções proprietárias Devido ao lento procedimento de padronização, muitas empresas precisam apresentar soluções proprietárias, oferecendo funções padronizadas mais características adicionais (tipicamente uma taxa de transmissão mais rápida utilizando uma tecnologia de codificação patenteada). Porém, estas características adicionais funcionam apenas em um 22

22 ambiente homogêneo, isto é, quando adaptadores do mesmo fabricante são utilizados em todos os nós da rede. Restrições Todos os produtos sem fio precisam respeitar os regulamentos locais. Várias instituições governamentais e não-governamentais regulam e restringem a operação das faixas de freqüência para que a interferência seja minimizada. Segurança e privacidade O uso de ondas de rádio pode interferir no funcionamento de outros equipamentos de alta tecnologia como os existentes em hospitais. Nestes casos é preciso tomar precauções especiais. Além disso, a interface rádio aberta é muito mais fácil de ser burlada do que a de sistemas de fibra ótica, por exemplo. Algumas considerações precisam ser levadas em conta para que o sucesso comercial das redes sem fio seja garantido. Operação global Os produtos que permitem a implantação de uma rede sem fio devem ser vendidos em todos os países, assim, regulamentos locais, que determinam a maneira como as freqüências devem ser utilizadas, precisam ser respeitados. No caso de redes cabeadas, os equipamentos instalados em um país podem ser transferidos para outro sem prejudicar o funcionamento da rede. Livre licença para operação Operadores de redes LANS (Redes Locais) não querem se submeter a uma licença especial na hora de utilizar os produtos WLAN. Assim, os equipamentos devem funcionar em uma banda de livre licença, como a banda ISM 2.4 GHz. Tecnologia de transmissão robusta Comparadas com as redes LANS sem fio, as redes WLANS operam sob difíceis condições. Utilizando-se transmissão via rádio, outros equipamentos elétricos podem interferir. Além disso, os emissores e receptores não podem ser ajustados para um funcionamento ideal em um escritório padrão. Torna-se necessário a padronização para o bom funcionamento nas mais diferentes configurações. 23

23 Proteção do investimento Foi investido dinheiro no desenvolvimento de redes LANS. As novas redes WLANS devem proteger este investimento, apresentando interoperabilidade com as redes já existentes. Segurança e privacidade Redes WLANS devem apresentar segurança em locais como os existentes em hospitais. Além disso, nenhum usuário deve ser capaz de ler dados que não sejam destinados a ele mesmo, ou seja, mecanismos de encriptação precisam ser integrados. Transparência das aplicações Aplicações que hoje funcionam em redes com fio (Redes Wireline) devem continuar funcionando em redes sem fio. 2.7 A Opinião das Empresas A Ericsson foi a primeira empresa que teve a visão do que mais tarde se tornou a tecnologia Bluetooth. A empresa acreditava que essa tecnologia tinha muitas oportunidades, mas na verdade a oportunidade era dada a ela por meio dos muitos participantes desse ramo, e o reconhecimento dela como padrão. A meta principal da tecnologia era o baixo consumo de energia, o custo e a possibilidade de conectar-se a qualquer equipamento. A empresa acreditava que, a princípio, muitas coisas migrariam para a tecnologia, mas ainda haveria muitas formas de se fazer uma conexão. (Michael Miller, 2001) A indústria de computadores IBM achava a tecnologia muito importante, pois sua principal meta é criar uma experiência do usuário, deixar o usuário mestre no equipamento. A empresa pensava no Bluetooth como automatização e praticidade para o usuário. Como exemplo, o usuário ao entrar em seu escritório o usuário tivesse tudo conectado. 24

24 3 Tecnologia GSM O GSM é um sistema aberto e livre que está em evolução. Uma de suas maiores vantagens é a capacidade de roaming internacional. Isto oferece aos usuários o mesmo número de contatos ilimitados e padronizados em mais de 159 países. O GSM difere dos sistemas sem fio da primeira geração, pois ele usa tecnologia digital e métodos de transmissão de acesso múltiplo por divisão de tempo (TDMA). A voz é transmitida digitalmente via um codificador que emula as características da voz humana. Este método de transmissão permite uma proporção de conteúdo muito eficiente de taxa/informação de dados. (Juarez do Nascimento, 1992) O GSM foi introduzido no Brasil em 2002 com a licitação pela Anatel das Bandas D e E que esta em operação em quase todo o Brasil. Foi adotado, também, pela maioria das operadoras que estão migrando do TDMA. A adoção do GSM pelas operadoras no Brasil teve impacta não apenas na interface rádio, o que exigiu novos terminais GSM, mas também na rede nacional de roaming que era baseada nos IS-41 para os sistemas AMPS, TDMA e CDMA. 3.1 Histórico do Sistema Celular Em 1981 começaram os primeiros testes em campo do sistema celular e em 1983 os primeiros sistemas celulares analógicos AMPS (Sistema de Telefonia Móvel Avançado), que utilizavam a técnica de FDMA (Múltiplo Acesso por Divisão de Freqüência), entraram em operação nos Estados Unidos. No ano anterior o FCC já havia concedido licenças de operação e alocado 10 MHz adicionais (denominados de espectro expandido) para este tipo de serviço. Em janeiro de 1989 surgiram os primeiros padrões digitais americano, designados DAMPS (Sistema de Telefonia Móvel Avançado Digital) e padronizado como IS-54 (Interim Standard 54), utilizando TDMA. Em 1993 surgiu o segundo padrão digital americano, designado IS-95, que utiliza a técnica CDMA 25

25 (Múltiplo Acesso por Divisão de Código). A Tabela 3.1 descreve a evolução dos sistemas de radio, desde o início. (Almir Wirth, 2001) Tabela Evolução dos sistemas rádio. Fim do século XIX Hertz demonstra que onda de rádio podem se propagar num meio Fim do século XIX Marconi estabeleceu um enlace de 18 milhas entre uma estação e um rebocador 1921 Primeiro sistema móvel terrestre polícia de Detroit (2MHz) 1934 FCC autoriza 4 canais entre 30 e 40 MHz 1946 Mais 6 canais em 150 MHz 1947 Sistema operando na faixa de 35 a 44 MHz canais de 30 MHz cada na faixa de 150 MHz 1956 FCC autoriza 12 canais na faixa de 450 MHz 1964 Primeiro sistema automático, na faixa de 150 MHz (full-duplex) 1969 Sistema automático na faixa de 450 MHz 1975 FCC aloca 40 MHz na faixa de 800 MHz para um sistema celular 1978 Primeiros testes em campo do sistema celular 1982 Alocação de 10 MHz adicionais (espectro expandido) 1983 Primeiros sistemas celulares analógicos (AMPS) 1989 Surge o padrão IS-54 (D-AMPS) 1993 Surge o segundo padrão digital americano, o IS-95 (CDMA) 1999 A Tecnologia GSM já expandia-se com um milhão de usuários. 26

26 3.2 Conceitos da Arquitetura Celular Muito se tem investido atualmente com o objetivo de fornecer à população um sistema de comunicação móvel que seja mais robusto e confiável, e ao mesmo tempo em que tenha taxas de transmissão comparáveis às da telefonia convencional. Não só a telefonia celular, como também os sistemas sem fio em geral, o que inclui redes de computadores sem fio, sistemas de localização militar e atendimento médico remoto, têm crescido vertiginosamente sua participação no mercado. Os primeiros sistemas móveis terrestres surgiram da necessidade de comunicação de órgãos públicos norte-americanos sendo seguidos de sistemas comerciais. Estes eram compostos basicamente, de transmissores com alta potência situados em locais altos para garantir uma área de cobertura apropriada (quanto mais alto o transmissor, maior a área de cobertura), como ilustrado na Figura 3.1. (Leandro, Nelson Alexander Garcia, Márcio Eduardo Silva Mello, 2000) Figura Sistema móvel convencional. O grande problema dos primeiros sistemas era tentar cobrir com um só transmissor uma grande região (uma cidade inteira, por exemplo) com um número limitado de canais No sistema celular esta grande região passa a ser dividida em áreas menores, chamadas clusters, que são por sua vez subdivididas em unidades menores ainda, as células. (Andy Doran, 2001) 27

27 Apesar de ainda existirem poucos sistemas operando com tecnologia analógica (AMPS), a crescente substituição destes por sistemas digitais (GSM, TDMA, CDMA) introduziu muitas dificuldades, e a sua evolução tecnológica por vezes frustrou o usuário, que pensava que a transição para um sistema digital, mais moderna" iria resolver a maioria dos problemas existentes anteriormente. Apesar dos problemas, os sistemas digitais evoluíram muito rapidamente. E o fato de poderem oferecer um serviço mais barato e mais seguro, a um maior número de assinantes, tornou-os alvos de inúmeras pesquisas que contribuíram para aumentar ainda mais a confiabilidade dos sistemas. (Leandro, Nelson Alexander Garcia, Márcio Eduardo Silva Mello, 2000) Para conseguir essa alta capacidade sob fortes restrições quanto aos recursos de espectro eletromagnético utilizados, a maioria dos sistemas digitais são baseados em uma arquitetura celular com um tamanho de célula bem pequena (estrutura micro-celular). (Andy Doran, 2001) A Célula e o Cluster Em um sistema celular cada célula é formada por uma BS (Estação Base) localizada em seu centro. As BS formam um agrupamento (clusters) com o objetivo de dividir o volume do tráfego telefônico da região. O agrupamento mais comum é composto por 7 células, sendo utilizado no sistema AMPS e TDMA. A Figura 3.2 ilustra uma configuração celular. (Leandro, Nelson Alexander Garcia, Márcio Eduardo Silva Mello, 2000) Cada BS transmite em um certo número específico de canais. A freqüência desses canais é planejada de maneira a não interferir nos canais usados por células vizinhas. Logo, as freqüências usadas nas células vizinhas precisam ser diferentes. Quanto maior a distância que separa as duas células com o mesmo grupo de freqüências menor será o grau de interferência existente. Como desvantagem, menor será a capacidade de tráfego do sistema celular. (Leandro, Nelson Alexander Garcia, Márcio Eduardo Silva Mello, 2000) A forma precisa da célula depende da geografia da região; uma vez que morros e prédios altos podem bloquear os sinais criando regiões de sombreamento. As ondas de rádio formam um arco que se irradia através do 28

28 transceptor como na Figura 3.2. Como o sinal será mais fraco quanto mais distante estiver da BS, a fronteira entre células é o limite no qual o terminal móvel não é mais capaz de enviar e receber sinais oriundos de BS das respectivas células. O sinal não é interrompido da maneira correta ocasionando interferência proveniente de transmissões nas células. (Leandro, Nelson Alexander Garcia, Márcio Eduardo Silva Mello, 2000) Figura Configuração celular. Como tentativa de solução ao aumento da capacidade de tráfego, é utilizado um recurso chamado, setorização. Na região crítica onde o tráfego telefônico é intenso devido à elevada concentração de usuários, são acrescentadas mais BS dentro de uma mesma célula, que passam a dividir o tráfego, reduzindo o congestionamento das ligações. (Juarez do Nascimento, 1992). A Setorização é a substituição das antenas omnidirecionais por antenas direcionais, bem como o acréscimo de novos rádios. O número de setores é definido em função do tamanho do cluster e das células. A Setorização é um recurso bastante eficaz quando se tem um aumento da capacidade de tráfego. Na Figura 3.3 é ilustrado um esquema de setorização celular. 29

29 Figura Esquema de setorizaçao celular 30

30 3.2.2 Componentes do Sistema O sistema celular é basicamente composto de 3 elementos principais: Estação Móvel MS Estação Rádio Base BS Central de Comutação e Controle MSC Figura Componentes de um sistema celular. 31

31 A estação móvel consiste de um transceptor, que é responsável pela interface entre o usuário e a estação rádio base, convertendo sinais em banda base em sinais de RF (Rádio Freqüência) ou vice versa. Além de prover a comunicação de voz ou dados, a MS (Estação Móvel) também realiza funções de controle e sinalização. (Juarez do Nascimento, 1992) A Estação Base estabelece o enlace rádio com o terminal móvel dentro da área de cobertura de uma célula. Ela é conectada por um enlace fixo (rádio ou fibra óptica) à MSC. A Central de Comutação e Controle é responsável pela coordenação das atividades relacionadas ao estado das chamadas e do sistema. É ela quem controla e interliga várias BS, supervisiona e administra o sistema, monitora e controla as chamadas, prove interface entre a PSTN (Rede Telefônica Pública Comutada) e o sistema celular, e comanda e controla o handoff que será detalhado na seção 3.4. (Juarez do Nascimento, 1992) 3.3 Tecnologia AMPS Os meios de ligação entre dois usuários na telefonia móvel são os canais de rádio. Um canal de rádio equivale a um par de fios da telefonia convencional. Cada canal de rádio compõe-se de duas portadoras, uma levando informações do telefone celular até a BS, e a outra levando informações da BS ao telefone celular. Essas duas portadoras constituem então, um circuito fechado. Para haver comunicação num canal de telefonia móvel AMPS é preciso sintonizar as duas portadoras, como se sintonizam estações de rádio FM. (Almir Wirth, 2001) Na Tabela 3.2 são descritas as faixas de freqüência em que opera o sistema AMPS nas Bandas A e B. 32

32 Tabela Faixas de freqüências para as bandas A e B. Telefone celular/bs BS/Telefone Celular Banda A Banda B Banda A Banda B A": 824 a 825 MHz B : 835 a 845 MHz A": 849 a 870 MHZ B : 880 a 890 MHz A : 825 a 835 MHz B' : 846,5 a 849 MHz A : 870 a 880 MHz B' : 891,5 a 894 MHZ A': 845 a 846,5 MHz A': 890 a 891,5 MHz Num Sistema AMPS, uma chamada pode ser feita da rede pública (PSTN) para o telefone celular ou vice e versa. Quando um assinante de telefonia fixa disca um número de um telefone celular sua central telefônica local analisa o número e encaminha a chamada para a central local ligada à Central de Comutação e Controle (MSC) da telefonia móvel. Esta então, informa a BS mais próxima do telefone celular, que tem alguém querendo falar com ele. A BS, através de um canal de controle, irradia a identificação do móvel e o canal vago que ele deve sintonizar. Quando o telefone celular receber essas informações, ele sintoniza o canal indicado, recebe a sinalização e soa a campainha. (Almir Wirth, 2001) 3.4 Handoff Um dos recursos mais importantes nos sistemas celulares é a capacidade do usuário se deslocar de uma célula para outra. Este recurso é conhecido como Handoff. O processo de mudança de uma célula para outra, através da seleção de uma nova estação-base (BS), é chamado de handoff. Por exemplo, durante uma chamada, a estação-base que está servindo o terminal móvel monitora a razão qualidade/potência do terminal. Se essa taxa cair para um valor abaixo de um limite pré-estabelecido, a rede requisita que as estações vizinhas meçam a qualidade do sinal do terminal. Se a taxa de qualidade medida por outra BS for melhor, uma mensagem de sinalização é enviada ao móvel a partir da BS atual 33

33 pedindo que ele sintonize um novo canal livre na célula vizinha. Simultaneamente, a rede comuta a chamada para a nova BS. (Almir Wirth, 2001) Muitas operadoras cobravam altas tarifas aos usuários que se deslocavam alem da respectiva célula local. Porém, atualmente muitas operadoras tendem a usar a mesma tarifa, qualquer que seja o local da ligação na rede, e a idéia de um telefone possuir uma célula única local desapareceu. 3.5 Roaming É um mecanismo que permite a um telefone celular operar fora da sua área de habilitação, como exemplo, uma outra cidade. O roaming (visitante) acontece quando um telefone celular entra na área de cobertura de um outro sistema celular, controlado por uma MSC diferente daquela em que normalmente opera. Para que uma operação de roaming seja executada, é necessário que o usuário habilite essa opção, pois o sistema envolve custos extras. É necessário também que as operadoras de origem e a visitada pertençam a ambas as redes nacionais e roaming. A rede nacional de roaming é responsável pela troca de todas as informações necessárias entre as MSC. (Andy Dornan, 2001) 3.6 Criptografia Um dos principais recursos do sistema GSM é a segurança. Isto acontece devido ao uso da criptografia ou cifragem. A estação base controla se a cifragem está ativada ou desativada. A criptografia dos dados ocorre após os dados terem sido intercalados e arranjados em oito blocos de dados. Os algoritmos de criptografia são controlados com bastante rigor. Estes algoritmos são bastante similares às técnicas usadas por muitos dos principais órgãos de inteligência em todo o mundo. A segurança destes algoritmos é aumentada pelo fato do sistema trocar de algoritmo de criptografia a cada chamada (mesmo se um algoritmo for decifrado em uma chamada, a criptografia usada na próxima chamada será diferente). (Andy Dornan, 2001) 34

34 3.7 Conceitos da Tecnologia GSM O GSM tem a estrutura básica dos sistemas celulares e oferece as mesmas funcionalidades básicas dos demais sistemas celulares associadas à mobilidade como roaming e handoff entre células. A arquitetura de referência de um sistema GSM é apresentada na Figura 3.5. Figura 3.5 Arquitetura do sistema celular Estação Móvel (MS) É o terminal utilizado pelo assinante quando carregado com um cartão SIM Card ou Módulo de Identidade do Assinante (Subscriber Identity Module). Sem o SIM Card a Estação Móvel não está associada a um usuário e não pode fazer nem receber chamadas. Após a contratação do serviço prestado pela operadora, o usuário passa a dispor de um SIM card que ao ser inserido em qualquer terminal GSM 35

35 assuma a identidade do proprietário do SIM Card. É encontrado no Brasil através do nome Oichip e Timchip, por exemplo. (Andy Dornan, 2001) A principal função do SIMCARD é armazenar, entre outras informações um número de 15 dígitos denominado IMSI ou Identidade Internacional do Assinante Móvel que identifica unicamente uma dada Estação Móvel. (Andy Dornan, 2001) Já o terminal é caracterizado por um número também com 15 dígitos, atribuído pelo fabricante, denominado IMEI ou Identidade Internacional do Equipamento Móvel (International Mobile Station Equipment Identity) Estação Base (BS) Tem como função estabelecer a comunicação com as estações móveis em uma determinada área. É formado por várias Base Transceiver Station (BTS) ou BS que constituem uma célula, e um Base Station Controller (BSC), que controla estas BSs. (Andy Dornan, 2001) Central de Comutação e Controle (MSC) É a central responsável pelas funções de comutação e sinalização para as estações móveis localizadas em uma área geográfica designada como a área do MSC. A diferença principal entre um MSC e uma central de comutação fixa é que a MSC tem que levar em consideração a mobilidade dos assinantes (locais ou visitantes), inclusive o handoff da comunicação quando estes assinantes se movem de uma célula para outra. O MSC encarregado de rotear chamadas para outros MSCs é chamado de Gateway MSC. (Andy Dornan, 2001). 36

36 3.7.4 Registro de Assinantes Locais (HLR) um sistema celular. É a base de dados que contém informações sobre os assinantes de Registro de Assinantes Visitantes (VLR) É a base de dados que contém a informação sobre os assinantes em visita (roaming) a um sistema celular. (Andy Dornan, 2001) Centro de Autenticação (AuC) É responsável pela autenticação dos assinantes no uso do sistema. O Centro de Autenticação está associado a um HLR e armazena uma chave de identidade para cada assinante móvel registrado naquele HLR possibilitando a autenticação do IMSI do assinante. É também responsável por gerar a chave para criptografar a comunicação entre MS e BTS. (Andy Dornan, 2001) Registro de Identidade do Equipamento (EIR) um sistema GSM. É a base de dados que armazena os IMEIs dos terminais móveis de Centro de Operação e Manutenção (OMC) controla o sistema. É a entidade funcional através da qual a operadora monitora e 37

37 O GSM foi padronizado para operar nas faixas de freqüências apresentadas na Tabela 3.3, sendo o GSM 900 e o DCS 1800 adotados na Europa e o PCS 1900 nos Estados Unidos. Tabela Freqüências de operação do GSM. Tipos de GSM GSM 900 DCS 1800 PCS 1900 Estação Móvel - ERB MHz MHz MHz ERB - Estação Móvel MHz MHZ MHz Espaçamento entre Freqüências de transmissão e Recepção 45 KHz 95 KHz 80 KHz No Brasil as Bandas C, D e estão na faixa de freqüências do DCS 1800, tendo sido licitados inicialmente 15 MHz por operadora em cada direção. 3.8 Capacidade do GSM A razão de reuso co-canal é um parâmetro fundamental no planejamento de sistemas celulares, pois determina a interferência co-canal (interferência entre células que se utilizam o mesmo conjunto de canais) e ao mesmo tempo em que limita a capacidade de tráfego do sistema. Aumentando-se a razão de reuso, a interferência co-canal se reduz, entretanto, o número de células por cluster aumenta, o número de canais por célula diminui (considerando constante o número total de canais) e, conseqüentemente, diminui também a capacidade de trafego do sistema. A escolha da razão de reuso co-canal é, portanto, um compromisso entre a capacidade de tráfego e a qualidade do sistema (quanto menor a interferência co-canal, maior a qualidade do sistema). (Almir Wirth, 2001) 38

38 Se o GSM utilizar um recurso, previsto nas especificações, de saltos de freqüência (Frequency Hopping) é possível inclusive à utilização de esquemas de reuso de freqüências mais eficientes. As interfaces da arquitetura de uma rede GSM, apresentadas na Figura 3.6, foram padronizadas de modo a permitir a interoperabilidade com outras redes, inclusive roaming internacional, e permitir a utilização de diversos fornecedores na sua implantação. Figura Interface de uma rede GSM. A interconexão entre BS e BSC é feita através da interface padronizada Abis Esta interface suporta dois tipos de links: canais de tráfego a 64 Kbit/s levando voz ou dados do usuário e canais de sinalização BSC-BS a 16 Kbit/s. (Sispic, 2003) Em um sistema de telefonia fixa é necessário que exista entre as centrais telefônicas, além dos troncos com os canais de voz, um sistema de sinalização por onde são trocadas mensagens de modo a se estabelecer uma chamada telefônica entre dois assinantes. As redes GSM suportam dezenas de serviços suplementares, tais como identificação do número chamado, chamada em espera, siga-me e conferência. Os serviços de localização padronizados para o GSM permitem estimar com precisão a localização da estação móvel servindo de base para vários serviços oferecidos ao assinante. 39

39 GPRS O GPRS (General Packet Radio Service) é um serviço para comunicação de dados que permite a estação móvel uma conexão com a Internet sem a necessidade de se estabelecer uma chamada telefônica. Apesar da transferência de dados ser possível no GSM, as taxas com que isso ocorre são muito pequenas. O GPRS (General Packet Radio Service) foi desenvolvido para permitir transmissão de dados a taxas mais elevadas para usuários de redes celulares. EDGE O EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) é um padrão desenvolvido para aumentar a taxa de dados para serviços oferecidos pela rede GSM. Este aumento é obtido pelo uso de um novo tipo de modulação para a portadora dos canais de RF em substituição a usada atualmente 0,3GMSK. É possível desta forma oferecer 48 Kbit/s por slot de tempo o que possibilitaria o oferecimento de conexões IP de até 384 Kbit/s. 3G A evolução do GSM para serviços de terceira geração com taxas de dados de até 2 Mb/s vem sendo padronizada pelo 3rd Generation Partnership Project (3GPP). Esta evolução exigiu a definição de um novo padrão para a interface entre Estação Móvel e BS com canais de RF de 5 MHz. Este novo padrão implicará em mudanças na estrutura de canalização do GSM exigindo uma banda adicional de freqüências para implementação do serviço por parte das operadoras, mantendo, no entanto, a compatibilidade e demais interfaces da arquitetura GSM. 40

40 3.9 Compatibilidade TDMA AMPS Além dos canais de voz digital, o TDMA dispõe dos canais de voz analógicos, padrão AMPS o que garante a compatibilidade do telefone celular TDMA ocupar os mesmos canais de RF do sistema AMPS, mantendo inclusive a mesma separação de canais, de 30 khz, do sistema analógico. (Artsen, J; Naghshineh, M; Inouye, J, 1999) Comunicação TDMA O TDMA permite implementação em faixa estreita e faixa larga. No TDMA faixa larga, toda ou grande parte da banda disponível é alocada a cada usuário por determinado intervalo de tempo, denominado slot. Em cada slot de tempo apenas um usuário terá acesso a toda (ou grande parte) da banda. No TDMA faixa estreita, o usuário tem acesso a uma pequena porção da banda por determinado intervalo de tempo (slot). A transmissão entre móvel e base é feita de forma não-contínua. A transmissão entre móvel-base é feita em rajadas, ocorrendo apenas no instante de tempo (slot) reservado para que o móvel transmita e/ou receba. Nos demais instantes de tempo, outros usuários poderão ter acesso à mesma portadora sem, portanto, que as comunicações interfiram entre si. Antes de chegar à nova transmissão da Estação Base, o telefone celular executa medições de sinais, buscando sinais alternativos para o handoff. (Artsen, J; Naghshineh, M; Inouye, J, 1999) Uma vantagem do sistema TDMA sobre o AMPS é o handoff auxiliado pelo móvel. Com esse objetivo, o telefone celular verifica a intensidade do sinal recebido, e a taxa de erro de bit do sinal recebido é transmitida com 5 bits de resolução. (Artsen, J; Naghshineh, M; Inouye, J, 1999) 41

41 3.9.2 Serviço SMS Todos os sistemas digitais, de telefonia móvel já incorporaram alguma forma de transmissão curta. Os serviços de mensagens curtas (SMS) entre celulares vêm dispensando a utilização de pagers. Muitas operadoras cobram pelo serviço SMS (Short Message Service), utilizando o mesmo modelo das próprias chamadas telefônicas: Quem envia mensagem é responsável pelo seu pagamento, o que permite a seus clientes controlarem seus custos. O SMS é o único padrão de mensagem a obter ampla aceitação. Ele começou como parte original do GSM, mas desde então foram integrados a todos os outros sistemas digitais, alguns dos quais o aperfeiçoaram. Uma de suas limitações é que as mensagens precisam ser curtas. O GSM impõe um limite de mensagens até 160 caracteres através do centro de mensagens do operador do seu telefone. Se o telefone destino estiver desligado ou fora de alcance as mensagens são guardadas no centro de mensagens garantindo assim que não sejam perdidas. Para o uso deste serviço é necessário que a operadora de telefonia celular ofereça o mesmo, e que o aparelho celular possua essa função Benefícios de SMS Rapidez e redução de custos com telefonia são qualidades apreciadas no mundo que utiliza inúmeros meios de comunicação. Mensagens de texto pelo celular também são ótimas para comunicação interna. Atualmente, a segurança nacional depende, em grande parte, da transmissão de dados, voz e multimídia via redes de telecomunicações. Na verdade, a agilidade ou não no recebimento de informações pode determinar, por exemplo, se existe algum perigo dentro de uma propriedade ou se esta propriedade esta sendo invadida. (Juarez do Nascimento, 1992) 42

42 Neste contexto, é vital para qualquer empresa, ou propriedade, manter suas linhas abertas e, com isto, garantir o envio e o recebimento da informação, no momento certo, para seus diversos públicos. Neste sentido, a evolução do SMS, que ocorreu a partir do desenvolvimento de plataformas inteligentes de transmissão de dados e, mais recentemente do MMS (mensagens multimídia que incluem imagens e até vídeos), propiciou ao mercado um poderoso aliado frente à necessidade, sempre crescente, de agilidade na comunicação. ( Almir Wirth, 2001) É importante ressaltar que as tecnologias de transmissão de mensagens por telefonia celular vêm ganhando terreno no mundo corporativo. Garantem o recebimento da informação, que ocorre praticamente em tempo real, e asseguram redução de custos com telefonia. Assim, corporações de todos os segmentos, inclusive de segurança, dispõem de um meio eficiente e direto de contato, automático, com os diversos públicos com quem interagem. (Andy Dornan, 2001). No mundo competidor de hoje, a diferenciação é um fator significativo no sucesso do fornecedor de serviços. O SMS hoje é um serviço basicamente procurado pelos usuários de telefonia celular. Aplicações com SMS podem também representar uma fonte adicional de rendimento para o fornecedor de serviços. (Andy Dornan, 2001) Os benefícios de SMS aos assinantes centram-se em torno da conveniência e flexibilidade. Deste modo, o benefício principal é a habilidade de usar o telefone como uma extensão do computador. O SMS elimina também a necessidade de dispositivos para o envio da mensagem porque os serviços podem ser integrados em um único dispositivo wireless -- o terminal móvel. Estes benefícios dependem normalmente das aplicações que o fornecedor de serviços disponibiliza. (Juarez do Nascimento, 1992) Aplicações de SMS Os telefones celulares estão evoluindo rapidamente e estão incluindo cada vez mais funcionalidades que suportam novas aplicações. As aplicações do SMS incluem Instituições financeiras como bancos e administradores de cartão de crédito. Estes empregam essa tecnologia como uma ferramenta no combate a 43

43 fraudes. Assim, quando uma compra é efetuada no cartão ou há um saque na conta corrente, o sistema envia, automaticamente, alertas para o celular do titular do cartão ou da conta, isto é, pode reduzir os transtornos do uso ilegítimo para os usuários e os prejuízos para as instituições financeiras. (Almir Wirth, 2001) As empresas de entretenimento também estão aderindo rapidamente ao novo modelo e utilizam o SMS e o MMS como canal de interatividade. Além disso, incorporaram serviços, mediante anuência do usuário, como envio de notícias, chats, quiz, entre outros. (Michael Miller, 2001). 44

44 4 Implementação do Projeto O computador será responsável por enviar a mensagem via SMS através de uma tecnologia bluetooth para o celular (wireless usb bluetooth adpter DBT 120), que fará o redirecionamento da mensagem. O aparelho celular ficará encarregado de levar a mensagem SMS, via tecnologia GSM, até a antena mais próxima que fará o redirecionamento da mensagem de alerta do celular Transmissor ao celular Receptor. A integração será feita de tal forma que haverá uma comunicação entre o computador e o aparelho celular, que está diretamente conectado a esse computador, através de um programa que será criado utilizando linguagem de programação c/c++ e Java. A Figura 4.1 ilustra a forma de implementação do projeto. ERB Bluetooth SMS Celular Transmissor Interface USB ou Serial Transmissão de Dados via GSM Celular Receptor Figura Ilustração do Projeto. 45

45 Este projeto fará uso da porta paralela de um PC como forma de identificar a ocorrência de eventos dentro de uma propriedade. Os eventos que seriam identificados por sensores são aqui emulados por bits lidos pela porta paralela. O computador então, será responsável por enviar mensagens de alerta para telefone celular com tecnologia GSM, e isto consta de duas etapas. A primeira etapa da transmissão de mensagem é realizada pela comunicação entre o computador e um telefone celular (celular transmissor), via tecnologia Bluetooth. A segunda etapa é realizada pela comunicação entre o celular transmissor e o segundo aparelho celular (celular receptor), via tecnologia GSM. Este projeto é abordado em duas partes. A etapa de identificação de eventos pelo software, via porta paralela, é implementada de maneira prática. A etapa referente à comunicação entre o celular transmissor e o celular receptor é realizada através de simulação. A linguagem de programação a ser empregada neste trabalho é a Linguagem Java. Esta foi escolhida por ser a linguagem de maior desenvolvimento junto às tecnologias implementadas. Hoje em dia quase todos os aparelhos de telefonia tem aplicativos rodando em Java o que torna mais viável, pois existe suporte. 4.1 A Porta Paralela A porta paralela é uma interface de comunicação entre o computador e um periférico. A impressora é um dos dispositivos mais comuns nesse tipo de interface. Quando implementada a porta paralela, era uma interface simples capaz de transmitir dados unidirecionalmente a uma velocidade de 100kbps a 200kbps, dependendo da forma de transmissão. Porém, no ano de 1990 a porta paralela sofreu alterações, ou seja, melhoramentos, passando a atingir uma velocidade de transmissão de ate 2 MB/s. 46

46 Todas as portas paralelas obedecem às regras IEEE 1284, feitas em 1994.O software aqui implementado visa interagir com a porta paralela a fim de ler dados da porta paralela Endereçamento O computador geralmente possui 3 portas: LPT1, LPT2 e LPT3 (alguns possuem LPT4).A porta utilizada no projeto foi a LTP1. Cada porta dessas possui 3 endereços: data, status e controle. Esses endereços estão numa ordem seqüencial. Isso quer dizer que se a porta data tem o endereço 0x0378, então o endereço correspondente de status é 0x0379 e o de controle é 0x037A. Atualmente, o endereçamento das portas paralelas de computadores é dado conforme descrito na Tabela 4.1. Tabela Endereçamento de porta paralela. Printer Data Port Status Controle LPT1 0X0378 0X0379 0X037A LPT2 0X0278 0X0279 0X027A LPT3 0x03BC 0x03BD 0x03BE Funcionamento da Porta Paralela A porta paralela opera com tecnologia TTL, ou seja, 0 e 5 Vcc. Esses dados podem ser enviados e lidos por três registradores (278h, 378h e 3BCH). Porém, soluções proprietárias como IBM, podem às vezes distribuir outro endereço para essa porta. O endereço utilizado no projeto foi o 378h. A porta paralela padrão tem 5 entradas. isto é necessário quando se precisa captar sinais do mundo externo para dentro do PC. As cinco entradas através do DB-25 são: 47

47 ack no pino 10 Busy no pino 11 Paper end no pino 12 Slct out no pino 13 Erro no pino 15 Uma das funções do software será ler o sinal recebido pela porta paralela (identificação de algum evento) e saber se o sinal em um determinado pino está alto ou baixo (0 ou 1). Após receber esse dado da porta paralela o software interpreta esse evento e envia para o celular via tecnologia Bluetooth. No Anexo A descreve-se à parte do código em Java relativa a leitura pela porta paralela. O endereço 278h e 378h é o mais comum, pois nela se pode fazer a leitura e a escrita. O endereço 279h e 379h são apenas de leitura sendo que o último bit (D7) lê de modo invertido. O endereço 27Ah e 37Ah pode ser utilizado tanto à leitura quanto para a escrita dos bits sendo que todos os bits são lidos/escritos de modo invertido, ou seja, se for lido nível alto em algum bit na verdade estará em nível baixo. O mesmo ocorre para a escrita. A porta paralela é o tipo de comunicação usado na maioria dos computadores na ligação com a impressora. Uma porta paralela consegue enviar vários bits de dados através de oito fios paralelos, simultaneamente. O limite máximo para um cabo paralelo é de aproximadamente 3 m Padrões de Conexão O DB25 é um conector que fica na parte de trás do gabinete do computador, e é através deste, que o cabo paralelo se conecta ao computador para poder enviar e receber dados. A Figura 4.1 abaixo ilustra a descrição da pinagem do conector padrão DB25. 48

48 Figura Pinagem DB25. O hardware conector padrão macho DB-25 é ilustrado na Figura 4.2. (Antonio Rogério Messias, 1999). Figura Conector padrão macho DB Modos de Operação A porta paralela usada nos computadores, em 1980, chamava SSP (Standard Parallel Port) hoje as portas paralelas chamam-se EPP (Enchanced Parallel Port) e ECP (Extended Capability Port) e são mais complexas e avançadas. Posteriormente o IEEE veio regulamentar o uso de padrões. (Antonio Rogério Messias, 1999) Nesses modos, a porta paralela é bidirecional e possui um circuito em forma de fila chamado FIFO, que é uma espécie de cachê para dados que são transmitidos e recebidos. 49

49 Como a porta paralela hoje está integrada a placa mãe, é possível alterar seu modo de operação através do setup do micro. Existem 3 modos de operação: a) O Modo SPP (Standart Parallel Port) O modo SPP foi muito utilizado na década de 80. As interfaces atuais são mais versáteis e velozes, mas o modo SPP continua sendo suportado. b) O Modo EPP (Enhanced Paralle Port) Tem a característica de ser totalmente compatível com o modo SPP e opera com taxas de transferências altas de até 2Mb/s. A implementação no modo EPP é baseada no uso de uma porta de dados que gera sozinha todos os sinais de uma porta paralela padrão, implementando todo o handshake em uma única instrução. No modo SPP é necessário usar várias instruções de Entrada e Saída, o que consome muito tempo pelo fato de estarem atreladas ao padrão ISA. No modo EPP é usada uma única instrução de saída de dados EPP. (Antonio Rogério Messias, 1999) Essa instrução pode ser de 8, 16 ou 32 bits. Logo ela pode controlar o envio de 1, 2, 4 bytes. A porta EPP encarrega-se de dividir o dado recebido processando-o em grupos de 8 bits e transmitindo-os em seqüência para o dispositivo. As únicas que nos servem neste projeto são a EPP e a ECP, pois são bidirecionais, ou seja, os dados podem sair ou entrar do PC. O protocolo ECP é muito parecido com o EPP, acrescentando somente o DMA, acesso direto a memória. c) O Modo ECP (Extended Capabilities Port) Esse modo é um avanço em relação ao EPP, o qual, através do emprego de algumas técnicas, consegue-se aumentar sua taxa de transferência. Principais características: o o Porta de dados com buffer, (FIFO) de entrada e saída. Operação por DMA (Acesso Direto a Memória) 50

50 o o Permite taxas de transferências de 2 a 4 m Realiza compressão de dados O FIFO é um buffer de dados que serve para que o processador não espere pela interface. Ao realizar uma instrução de saída, o dado não vai diretamente para o dispositivo ligado na interface. Ele é colocado em uma fila de bytes e o processador é liberado. A interface é encarregada de enviar os bytes para o dispositivo, obedecendo a ordem de chegada. (Antonio Rogério Messias, 1999). Os dados enviados pela porta de dados da interface ECP vão direto para o final da fila FIFO de saída. Essa transmissão de dados pode ser feita por CDMA ou Entrada e Saída. 51

51 4.2 Software Problemas e Soluções na Leitura de Dados da Porta Paralela Na implementação do software para leitura da porta paralela, foi encontrado um erro na API javax.com que impedia a porta paralela de ler qualquer evento. A solução para resolver esse problema foi à utilização de JNI (Java Native Interface) JNI. (Nokia, 2005) O Java Native Interface, serve como interface entre Java e o código nativo escrito em C/C++ ou assembly, este permite usar classes java no código nativo e vice-versa. (Nokia, 2005) As premissas para se usar JNI geralmente são para a implementação de funcionalidades que as APIs Java não fornecem ou por problemas de performance. Um algoritmo que em Java fique muito lento pode ser implementado em C ou assembly e acessado pelo Java. Outro caso é quando o código nativo deseja ter acesso a API Java. Obviamente as classes com métodos nativos não são portáveis entre VMs (Virtual Machines). Quanto ao código nativo a portabilidade está ligada ao uso de C/C++ ANSI-Standard e STL. Para utilizar código nativo em classes Java, tem-se que seguir uma série de regras de nomeação (mangling). No exemplo abaixo, temos o clássico Hello World, que possui um método nativo, determinado pelo uso da palavra chave native. package Pkg; class HelloWorld { // Implementado na biblioteca dinâmica public static native void writemessage(); public static void main(string[] a) { System.loadLibrary("HelloWorld"); 52

52 writemessage(); O método writemessage() deverá ser implementado em uma biblioteca.dll em Win32 ou.só em UNIX. Assim tem-se o carregamento da biblioteca antes da execução do método, o método loadlibrary entende que deverá carregar HelloWorld.dll se estiver em win32 e HelloWorld.só se estiver em UNIX. Pode-se usar a função JNI RegisterNatives() para registrar os métodos nativos associados à classe. Para a JVM resolver os nomes de métodos nativos deve ser usada a seguinte regra para a assinatura do método em código nativo: Prefixo Java_ namespace (package _ class) separador _ (undescore) nome do método para métodos nativos sobrecarregados (2 underscores) Assinatura do método (será visto mais à frente) J2ME A plataforma J2ME (Java 2 Micro Edition) foi desenvolvida para dispositivos com limitação em quantidade de memória, display, e poder de processamento, como telefones celulares, PDAs e Pagers. Ela cria uma camada de abstração, minimizando essas diferenças ao definir configurações e interfaces, as quais, juntas, provêem uma plataforma completa e uma Interface para Programação de Aplicativos (API). As APIs possibilitam o desenvolvimento de aplicativos em qualquer dispositivo que possua suporte ao padrão Java. Para a construção de aplicativos são usadas configurações e profiles (perfis). Configurações são definidas para cada dispositivo (Antonio Rogério Messias, 1999) 53

53 J2ME não é uma especificação única de um software. Trata-se de um conjunto de tecnologias e especificações que foram concebidas para diferentes setores do mercado de dispositivos pequenos. J2ME é formada por duas configurações diferentes: CDC (Connected Device Configuration) e CLDC (Connected Limited Device Configuration). Uma configuração define as bibliotecas centrais da tecnologia Java e os recursos da máquina virtual. A CDC destina-se a dispositivos portáteis de ponta, como os Nokia Communicators, enquanto a CLDC é direcionada para os dispositivos portáteis de baixo custo, como os celulares mais comuns. Por cima das configurações estão os perfis que definem a funcionalidade em uma categoria específica de dispositivos. O MIDP (Mobile Information Device Profile) é um perfil para dispositivos portáteis baseados em CLDC com recurso de comunicação, como os celulares. O MIDP define funcionalidades como a utilização da interface do usuário, o armazenamento persistente, as redes e o modelo de aplicativo (Sun, 2005) J2ME (também conhecida como Kjava) é designada especialmente para funcionar em equipamentos portáteis como os aparelhos telefônicos. Equipamentos portáteis são definidos tipicamente por memória e capacidade de processamento limitado, assim como menores telas do que notebooks, por exemplo. As configurações são compostas de um conjunto mínimo de bibliotecas. Elas fornecem a funcionalidade básica para um número particular de dispositivos que possuem características similares, como conectividade e memória. Há, basicamente, 2 tipos de aplicativos em linguagem J2ME: Aplicativos Locais (Wallet garden): são aplicativos que rodam diretamente em um aparelho celular isoladamente, sem acessar qualquer dado ou fonte externa pela rede móvel: Exemplos típicos são jogos de entretenimento e calculadoras, Expenses Pad, etc. 54

54 Aplicativos em rede (network aware): estes aplicativos interagem com a rede de dados. Diferentemente de aplicativos locais, os aplicativos em rede podem acessar informações externas. Um exemplo típico de um aplicativo em rede seria uma aplicação de correio eletrônico ( ) que permanece no aparelho Para o desenvolvimento do projeto, foi utilizado o aparelho Nokia 3650, ilustrado na Figura 4.4. (Nokia, 2005) Figura Aparelho celular Nokia Características Display colorido. Papel de parede. Descanso de tela. Suporte para MIDP Java. 55

55 Possibilidade de fazer download de aplicativos e jogos em Java. Agenda telefônica com até 250 posições de memória (5 espaços para números e 4 espaços para texto). Calendário. Menu de tarefas. Toques musicais polifônicos (MIDI). Gravador. Discagem por voz (até 10 posições de memória). Funções ativadas por voz. WAP Funções Acesso à Internet (WAP 2.0). 1 Troca de mensagens de texto, e mensagens. Envia dados da agenda (notas de calendário e cartões de visita). 2 Especificações técnicas (Nokia, 2005) Tecnologia TDMA 800/ AMPS 800 MHz, GSM. Dimensões: 11,8 cm (comprimento) x 5,0 cm (largura) x 2,3 cm (espessura). Peso: 107 g. Antena interna. Alerta vibratório interno. Resolução do display: 96 x 65 pixels A tecnologia necessária para a conclusão do projeto utilizando dois aparelhos móveis, sendo um o transmissor e o outro receptor, é a plataforma 56

56 MIDP 2.0. Porém, essa tecnologia provém de celulares ultramodernos, e disponíveis no mercado a preços altíssimos. Devido à carência do aparelho celular com as devidas tecnologias, optou-se pela simulação desse procedimento através do programa Netbeans. O Nebeans é uma ferramenta de código em Java que é gratuita e desenvolvida pela própria Sun. Ele presta suporte em desenvolvimento J2ME e dentro desse suporte ele possibilita a emulação de celulares que suportam a linguagem utilizada Foram utilizados três aparelhos móveis. A simulação é feita da seguinte forma: Um aparelho celular faz o papel do Bluetooth enviando a mensagem, outro aparelho faz o papel do aparelho móvel transmissor e outro do aparelho móvel receptor. A utilização dessa simulação é totalmente possível utilizando aparelhos físicos. A ilustração se encontra no Anexo B. Como resultado desse projeto verificou-se o funcionamento satisfatório do software que faz a comunicação com o aparelho celular transmissor. Pode-se constatar também, que a parte relativa a simulação no projeto representou de forma ideal o que seria implementado de forma prática. 57

57 5 Conclusão Objetivou-se neste trabalho desenvolver um software em computador e em telefone celular GSM, a ser empregado no monitoramento de eventos ocorridos dentro de uma propriedade. O monitoramento dá-se através de envio de mensagens de alerta ao dono da propriedade através de serviço SMS. Realizou-se inicialmente um estudo sobre as tecnologias GSM, Bluetooth e SMS, bem como de suas respectivas funcionalidades. Ou seja, atuouse no sentido de empregar estas tecnologias já disponíveis, de forma conjunta, de forma a implementar-se um sistema de monitoramento de propriedades. O estudo das tecnologias envolvidas também teve como meta identificar a melhor tecnologia a ser empregada visando o objetivo do trabalho. Foi escolhida a tecnologia GSM por ser a principal tecnologia atualmente empregada em envio de mensagens, e por ser esta uma tecnologia que facilita a desenvolvimento de software em celular. Como forma de se identificar a ocorrência de eventos dentro de propriedades, empregou-se a porta paralela do computador como interface entre o computador e a suposta propriedade a ser monitorada. Os eventos que seriam identificados por sensores foram aqui emulados por bits lidos pela porta paralela. A concepção deste projeto constou de duas etapas. Numa primeira etapa, foi realizada uma transmissão de mensagem do computador para um telefone celular (celular transmissor), via tecnologia Bluetooth. E numa outra etapa, foi realizada uma transmissão de mensagem entre o celular transmissor e um segundo aparelho celular (celular receptor), via tecnologia GSM. O desenvolvimento deste trabalho se deu em duas partes. A parte referente à identificação de eventos pelo software, via porta paralela, foi implementada de maneira prática. A segunda parte, que diz respeito à comunicação entre o celular transmissor e o celular receptor, foi realizada através de simulação. A linguagem de programação empregada neste trabalho foi o Java. Esta linguagem foi escolhida por ser a linguagem de maior desenvolvimento junto às tecnologias implementadas. Hoje em dia quase todos os aparelhos de telefonia celular apresentam aplicativos rodando em Java. 58

58 No desenvolvimento do trabalho, foram encontradas algumas limitações relativas à linguagem de programação Java. Soluções foram adotadas substituindo-se a prática da utilização do aparelho celular (isto devido à carência da tecnologia MIDP2) pela simulação da mesma. Como contribuição principal deste trabalho, revela-se que tecnologias já disponíveis podem ser empregadas, em conjunto, visando segurança e privacidade da propriedade. Como resultado desse projeto verificou-se o funcionamento satisfatório do software que faz a comunicação com o aparelho celular transmissor. Pode-se constatar também, que a parte relativa a simulação no projeto representou de forma ideal o que seria implementado de forma prática. Sugere-se como continuação deste trabalho e proteção a propriedade, a implementação do projeto empregando os mais diversos tipos de sensores, e empregando aparelhos celulares que possuam a tecnologia MIDP 2 e que também suportem a tecnologia Bluetooth. 59

59 Referências Bibliográficas - Andy Dornan, Wireless Comunications, Guia de comunicação sem fio. Rio de Janeiro Campos, Michael, Miller. Bluetooth, Descobrindo o Bluetooth: Rio de Janeiro: Campos Leandro Rodrigues Coelho, Nelson Alexander Pérez Garcia, Márcio Eduardo da Costa Rodrigues Luiz A. R. da Silva Mello Sistemas de Rádio Celulares e de Rádio Acesso.Centro de Estudos em telecomunicações PUC do Rio de Janeiro, Agosto de Juarez do Nascimento, Telecomunicaçoes, São Paulo: Makron Books, Almir Wirth Telecomunicações e Redes de Computadores, Rio de Janeiro. Edi. Axcel por Antônio Rogério Messias

60 Anexo A Leitura da Porta Paralela Programa em linguagem java cuja função é ler a porta paralela import parport.parallelport;// IMPORTA O PARALEL PORT import java.awt.*; import java.awt.event.*; class PortaParalela{ public static void main ( String []args ) { ParallelPort lpt1 = new ParallelPort (0x378); // 0x378 is normally the base address for the LPT1 port int abyte; For (int i = 0; i< ; i++) { abyte = lpt1.read(); // read a byte from the port's STATUS pins // If (abyte==112){ 61

61 Anexo B Ilustração da simulação Foram utilizados três aparelhos móveis. A simulação é feita da seguinte forma: Um aparelho celular faz o papel do Bluetooth enviando a mensagem. Um segundo aparelho faz o papel do aparelho móvel transmissor, e um terceiro aparelho faz o papel do móvel receptor. A implementação prática dessa simulação é totalmente possível utilizando aparelhos físicos programados com os códigos empregados na simulação. Figura B.1 - Ilustração da simulação. 62